基于ＳＴＭ３２的步行者航位推算装置设计

　　基于便携性与实用性考虑，提出一种新的步行者航位推算装置设计。使用三维加速度计与电子罗盘集成芯片ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ和陀螺仪集成芯片ＭＰＵ３０５０对步行者的实时运动信息进行采集，采用具有ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６单片机收集传感器数据并对数据进行航位推算处理，将步行者航迹信息显示于ＴＦＴＬＣＤ上。实验证明，该装置具有较高的推算精度，能满足实际应用需求。

　　１、系统组成与工作原理

该步行者航向推算装置主要由三维传感器模块、数据转换模块与处理模块组成，具体的组成框图如图１所示。三维传感器模块上分为三轴加速度计与电子罗盘集成芯片ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ、陀螺仪集成芯片ＭＰＵ３０５０，以及用于数据处理的单片机ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６。实际工作时，三轴传感器模块置于步行者腰间，三维加速度计用于采集前左上三个方向上的加速度，用于计算模块的俯仰角与倾斜角，以及步行者的步数统计与步幅估计；电子罗盘采集步行者实时航向角数据；陀螺仪测出单位时间内三轴角速度以校正计算出的俯仰角与倾斜角；单片机负责对传感器的原始数据进行转换处理，采用串口与数据处理模块进行通信。数据处理模块核心也采用了单片机ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，在与三维传感器模块串口通信的同时，将航位推算所需的数据通过ＦＡＴ３２文件系统存于ＳＤ卡中。显示模块采用的是ＴＦＴＬＣＤＩＬＩ９３２０，当步行者需要查看当前的航位信息时，单片机可通过ＦＡＴ３２文件系统从ＳＤ卡中调出原始数据，进行航位推算处理，最终将步行者的航迹显示于ＴＦＴＬＣＤ上。

　

　　图１系统组成框图

　　２、硬件设计 　　２．１、主控芯片及外围电路设计

　　主从单片机都采用ＳＴ公司生产的具有ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的工业级控制芯片ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，它具有７２ＭＨｚ时钟主频，内部ＲＯＭ存储容量为１２８ＫＢ，ＲＡＭ存储容量为２０ＫＢ。它具有８个定时计数器，３个ＳＰＩ、２个Ｉ２Ｃ总线、３个ＵＡＲＴ、１个ＵＳＢ、１个ＣＡＮ总线等通信端口，这些通信端口完全能满足本系统在设计过程中的需要。

　　ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６芯片由３．３Ｖ电压供电，而外部电源为５Ｖ电池，因此采用降压芯片ＡＭＳ１１１７－３．３，它能将输出电压降低并且稳定在３．３Ｖ，精度为１％。

　　２．２、三维传感器模块设计

　　ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ芯片可在２．１６～３．６Ｖ低电压下正常工作，其内置三轴加速度计，量程为±２ｇ～±１６ｇ。电子罗盘量程可为±１．３～±８．１ｇａｕｓｓ，单片机通过ＳＣＬ、ＳＤＡ引脚与其进行Ｉ２Ｃ总线通信，编程寄存器ＣＴＲＬ＿ＲＥＧ４内容可设置三轴加速度计量程，编程寄存器ＣＲＢ＿ＲＥＧ＿Ｍ内容可设置电子罗盘量程，其外围电路如图２所示。

　

　　图２ＬＳＭ３０３ＤＬＨＣ外围接口原理图

　　ＭＰＵ３０５０能在２．１～３．６Ｖ低电压下正常工作，其内置的陀螺仪可测出三轴方向上±２５０～±２０００°／ｓ的角位移，通过编程其寄存器ＤＬＰＦ＿ＦＳ可以选择陀螺仪工作的量程，同时单片机通过Ｉ２Ｃ总线，可从Ｘ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ、Ｙ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ、Ｚ＿ＯＦＦＳ＿ＵＳＲＨ／Ｌ这６个数据寄存器读出三轴原始数据，其外围电路如图３所示。

　　

　　图３ＭＰＵ３０５０外围接口原理图